Εναπόθεση και χαρακτηρισμός νανοδομημένου πυριτίου για οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές

Abstract

Nanostructured hydrogenated silicon thin films are widely applied in a variety ofoptoelectronic devices such as thin films solar cells, thin film transistors and photodetectors. Industrially, amorphous and microcrystalline silicon thin films aredeposited through SiH4 – H2 discharges in Capacitively Coupled Plasma reactors.Nevertheless, the low deposition rate (~ 5 Å/sec) achieved for microcrystalline siliconremains the main disadvantage of the process. In order to increase the growth rateseveral deposition techniques have been proposed such as high pressure depletionmethod (HPD), very high frequency method (VHD) and use of alternative precursors.Moreover, high density methods such as Inductively Coupled Plasmas (ICP), ElectronCyclotron Wave Resonance discharges, microwave plasmas, Electron CyclotronReactors and Hollow cathode discharges have been suggested.The aim of this work is to use high density plasma sources in order to deposit Si:Hthin films and determine the process parameters leading to high deposition rates anddevice grade materials. Precisely, two Electron Cyclotron Wave Resonance sourcesand one Inductively Coupled Plasma source were used and the effect of processparameters on the growth rate and the materials properties was examined. Theexperimental results show that high rate growth of microcrystalline silicon can beachieved in all cases. However, materials characterization revealed that filmsdeposited at rates higher than 13 Å/sec are porous and thus very sensitive to postoxidation. Keeping the rate lower than 12 Å/sec resulted in more dense materialswhich show low oxidation rates and sustain high photosensitivity in ambientconditions.

Το νανοδομημένο υδρογονωμένο πυρίτιο αποτελεί ένα από τα βασικότερα υλικάτων οπτοηλεκτρονικών διατάξεων λεπτών υμενίων (φωτοβολταϊκά κελιά λεπτώνυμενίων, TFT, αισθητήρες). Η κύρια τεχνική που χρησιμοποιείται βιομηχανικά γιατην παραγωγή υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου, είναι η χημική εναπόθεση ατμώνυποβοηθούμενη με πλάσμα (PECVD). Η διεργασία λαμβάνει χώρα σε χωρητικάσυζευγμένους αντιδραστήρες (CCP) χρησιμοποιώντας ως πρόδρομο αέριο το σιλάνιοή μίγματά του με υδρογόνο. Το κύριο πλεονέκτημα της τεχνική αυτής είναι ότι μεμικρές μεταβολές στις παραμέτρους της διεργασίας, είναι δυνατή η εναπόθεση τόσοάμορφων όσο και μικροκρυσταλλικών υμενίων. Ωστόσο, ένα από τα κύριαπροβλήματα που παρουσιάζονται στη χρήση των CCP πηγών, είναι ο ιδιαίτεραχαμηλός ρυθμός εναπόθεσης των μικροκρυσταλλικών υλικών, ο οποίος δενυπερβαίνει τα 5 Å/sec.Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση της δυνατότητας χρήσης πηγώνπλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων για την ενίσχυση του ρυθμούεναπόθεσης λεπτών υμενίων μικροκρυσταλλικού πυριτίου, κατάλληλων για τηνενσωμάτωσή τους σε οπτοηλεκτρονικές διατάξεις. Συγκεκριμένα, η διεργασίαεξετάζεται σε δύο πηγές πλάσματος συντονισμού κύματος ηλεκτρονιακού κυκλότρου(ECWR) και σε μια επαγωγικά συζευγμένη πηγή (ICP). Σε κάθε περίπτωση,μελετάται η επίδραση των παραμέτρων της διεργασίας στον ρυθμό εναπόθεσης καιστις φυσικοχημικές ιδιότητες των υλικών, αναζητώντας συνθήκες που εξασφαλίζουνρυθμούς μεγαλύτερους των 5 Å/sec, αλλά και υλικά των οποίων οι ιδιότητες πληρούντις προδιαγραφές για την ενσωμάτωσή τους σε οπτοηλεκτρονικές διατάξεις.Βάσει των αποτελεσμάτων προκύπτει ότι και οι τρεις πηγές παρέχουν ένα μεγάλοεύρος συνθηκών στις οποίες ο ρυθμός εναπόθεσης μικροκρυσταλλικών υλικών είναιπολλαπλάσιος του βιομηχανικού ρυθμού. Ο φυσικοχημικό χαρακτηρισμό των υλικώνκαταδεικνύει ότι υλικά που εναποτίθενται με ρυθμούς υψηλότερους των 13 Å/secπαρουσιάζουν αυξημένο αριθμό νανο-πόρων με αποτέλεσμα να οξειδώνονται τάχιστακατά την έκθεσή τους στην ατμόσφαιρα. Η μελέτη της διεργασίας στην ICP πηγήυποδεικνύει ότι ο περιορισμός του ρυθμού εναπόθεσης στα 12 Å/sec οδηγεί σεπερισσότερο συνεκτικά υλικά τα οποία οξειδώνονται βραδύτερα και παρουσιάζουνυψηλή φωτοευαισθησία για μακρά χρονικά διαστήματα.